CN109735356B - 一种连续式生物质热裂解方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续式生物质热裂解方法及设备，设备包括加料装置、一级反应釜、二级反应釜、三级反应釜、加热装置、排炭装置和第一抽气装置；加料装置连接一级反应釜，一级反应釜连接二级反应釜顶部的进料口一，加热装置安装在三级反应釜的底部，排炭装置连接三级反应釜的底部，排炭装置用于将生物质碳化后形成的炭层排出；第一抽气装置连接三级反应釜的底部，第一抽气装置抽取一级反应釜、二级反应釜和三级反应釜内的气体使得气体经过炭层后离开，本发明生物质裂解设备能够将气体全部转化为由不可凝气体组成的可燃气体；提高生物质热裂解的效率，便于后期对可燃气体的使用。
Description
技术领域
本发明涉及生物质热裂解技术领域，尤其涉及一种连续式生物质热裂解方法及设备。
背景技术
生物质热裂解是指生物质在真空或其他缺氧环境中利用热能切断生物质大分子中碳氢化合物的化学键，使之转化为小分子物质的热降解过程；最终生成的产物一般是液体生物油、可燃气体和固体生物炭。现有技术中生物质热裂解的普遍做法是在真空容器内对生物质进行升温，将最终产生的生物炭和气体分离；这种气体在分离后温度降低，气体中的大量可凝气体将冷凝为液体(主要是焦油)，影响后续对气体的使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是改进生物质热裂解工艺，对生物质热裂解产生的混合气体中的可凝气体进行二次裂解，使得混合气体的最终成分均为不可凝气体。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种连续式生物质热裂解方法，包括如下步骤：
步骤1：将生物质置于真空环境中炭化，使生物质依次经过常温～240℃、240～400℃和400℃以上的温度环境，最终得到炭层；
在常温～240℃温度中，生物质内的纤维素大分子中的部分葡萄糖开始脱水，生物质中各类挥发物析出，生物质原料发生较大的质量损失；生物质本身虽然达到着火点，但由于缺氧环境，并不能发生燃烧，也不能产生气相火焰；
在240～400℃温度中，葡萄糖的苷键、部分碳氧以及碳碳键开始断裂，产生新的低分子挥发性化合物；
在400℃以上的温度环境下，纤维素大分子的残余部分进行芳环化，逐步形成石墨结构，最终形成生物炭。
步骤2：持续加热使得炭层温度达到1050℃以上；
步骤3：抽取步骤1所产生的气体，使气体经过温度在1050℃以上的炭层；气体在炭层内进行二次裂解反应，例如气体中的焦油所蕴含的糖、醛、酮以及愈创木酚类等含氧化合物发生剧烈分解，生成苯酚及其衍生物；温度越高，酚类产率越低，经过二次裂解反应，步骤1中的气体将全部转化为不可凝气体组成的可燃气体；
步骤4：分离气体和炭层，分别排出可燃气、生物炭和液体。
为了提高生物质热裂解的效果，一般在步骤1之前，将生物质置于常温～120℃温度环境中脱水，此阶段仅仅起到干燥生物质的作用，生物质仅发生脱水这一物理变化。
分离出的气体中含有炭粉颗粒，在步骤4中可以对气体进行除尘后排出。
本发明还提供了一种连续式生物质热裂解设备，包括加料装置、一级反应釜、二级反应釜、三级反应釜、加热装置、排炭装置和第一抽气装置；
加料装置连接一级反应釜，一级反应釜连接二级反应釜顶部的进料口一，二级反应釜连接三级反应釜，加热装置安装在三级反应釜的底部，排炭装置连接三级反应釜的底部，排炭装置用于将生物质碳化后形成的炭层排出；第一抽气装置连接三级反应釜的底部，第一抽气装置抽取一级反应釜、二级反应釜和三级反应釜内的气体使得气体经过炭层后离开一级反应釜、二级反应釜和三级反应釜，气体在高温炭层内进行二次裂解。
11.具体的，所述二级反应釜内设置有定量卸料装置，三级反应釜内设置有第三蝴蝶板和中空螺旋输送器，定量卸料装置包括第一转轴、安装在第一转轴上的弓形搅拌辊和安装在第一转轴末端的下料旋转片；弓形搅拌辊用于搅拌生物质物料，下料旋转片用于将生物质物料定量的输送至中空螺旋输送器；中空螺旋输送器从三级反应釜底部穿过，第三蝴蝶板位于下料旋转片和中空螺旋输送器之间，中空螺旋输送器外侧连接排炭装置和第一抽气装置，中空螺旋输送器中空部分用于放置燃烧器，中空螺旋输送器上螺旋片在出炭口位置反向连接；生物炭在出口处反向运动，使得炭层可以充分排除。
所述加料装置包括加料仓、第一螺旋输送器、第一蝴蝶板、第一阀门、第二阀门和第二抽气装置；第一阀门安装在加料仓的进料口二，第一螺旋输送器从加料仓的底部穿过并连通至一级反应釜的进料口三，第二阀门安装在第一螺旋输送器的末端，第一蝴蝶板位于第一螺旋输送器之上，第二抽气装置用于对加料仓进行抽真空处理；一级反应釜内设置有第二螺旋输送器和第二蝴蝶板，第二螺旋输送器从一级反应釜的底部穿过并连通至二级反应釜的进料口一，第二蝴蝶板位于第二螺旋输送器之上；第一阀门和第二阀门保持互锁，当第二阀门打开时，第一阀门关闭；当第一阀门打开时，第二阀门关闭；确保每次加料仓与一级反应釜连通时，加料仓均与外界隔绝，避免加料行为影响一级反应釜、二级反应釜以及三级反应釜内的真空环境，实现连续式生产；其中，加料仓和一级反应釜内部的第一蝴蝶板和第二蝴蝶板通过液压杆控制它的伸缩行程，实现不同角度、不同速度、不同力矩、不同频率的动作，以达到对物料破拱/疏松，有导向地顺畅落入螺旋输送器的矩形入料口的目的。
所述一级反应釜外套有护套，护套与一级反应釜之间具有间隙形成夹层，夹层与外界连通；所述加热装置包括发热管路、余热管路和电热板，发热管路从中空螺旋输送器内穿过，发热管路的末端通过余热管路连通至夹层，电热板安装在第三蝴蝶板上；电热板用于加热三级反应釜内的生物质物料，在三级反应釜和二级反应釜内形成不同的温度层，使得生物质碳化；发热管路用于加热已经到达中空螺旋输送器内的炭层，将炭层温度提高至1050℃以上，使得三级反应釜内的气体在经过炭层时发生二次裂解反应；发热管路的热源可以是管路内部的发热元件，例如电热器件或者燃烧器；发热管路内的热空气在加热炭层之后经过余热管路到达护套与一级反应釜之间的夹层，热空气的余热继续加热一级反应釜，帮助一级反应釜内的生物质实现初步脱水；
进一步的，所述二级反应釜、三级反应釜和余热管路的外表面均设置有保温层，例如设置真空保温层，形成真空保护层。
所述排炭装置包括膨胀节、排炭管和排炭三通，排炭管通过膨胀节连通至中空螺旋输送器，排炭管的一端设置第一液压缸、另一端相交并连通至排炭三通，排炭三通的一端设置第二液压缸、另一端设置第三阀门；排炭管外包裹与排炭管之间具有间隙的壳体，壳体上设置有供冷却液进出的冷却液进口和冷却液出口，冷却液进口和冷却液出口与排炭方向反向设置，用于生物炭在排炭管内保持从高到低进行冷却，排炭管与壳体之间的间隙内设置有冷却液导向片，冷却液导向片用于增加冷却液在壳体与排炭管之间的行程，提高冷却液的冷却效果。
进一步的，本发明的生物质热裂解设备还包括除尘装置，所述除尘装置包括除尘塔(除尘塔为变径结构，使得气流变慢，有利于灰尘沉降)、第二转轴、下阻流叶片、上阻流叶片和卧式多层水泡除尘器，除尘塔的底部连通中空螺旋输送器外侧，除尘塔的顶部依次连接卧式多层水泡除尘器和第一抽气装置；第二转轴竖直的安装在除尘塔内，下阻流叶片和上阻流叶片均与第二转轴连接，下阻流叶片和上阻流叶片的旋向相反，下阻流叶片和上阻流叶片随着第二转轴同步旋转并产生彼此反向的气流。
有益效果：(1)本发明的生物质热裂解方法及设备将最终的炭层温度加热至1050℃以上，使得生物质热裂解产生的气体在炭层内发生二次裂解反应，将气体内的可凝气体转化为不可凝气体。(2)本发明的生物质热裂解设备将加料仓上设置两个互锁的阀门，确保加料仓在真空状态下与一级反应釜、二级反应釜及三级反应釜连通，避免加料过程影响设备的真空环境，实现连续加料以及连续生产。(3)本发明的生物质热裂解设备将发热管路排出的热空气引流至一级反应釜，利用热空气的余热加热一级反应釜实现生物质物料的初步脱水，充分利用能源，减少设备消耗。(4)本发明的生物质热裂解设备在除尘塔内设置双层阻流叶片，对气流内的炭粉颗粒形成三层阻隔，实现高效除尘。
附图说明
图1是本发明连续式生物质热裂解设备立体图。
图2是本发明连续式生物质热裂解设备的主视图。
其中：1、三级反应釜；2、加料仓；201、进料口二；3、第一螺旋输送器；4、第一蝴蝶板；5、第一阀门；6、第二阀门；7、第三蝴蝶板；8、中空螺旋输送器；9、第一转轴；10、弓形搅拌辊；11、下料旋转片；12、护套；13、发热管路；14、余热管路；15、电热板；16、真空保温层；17、膨胀节；18、排炭管；19、排炭三通；20、第二液压缸；21、第三阀门；22、壳体；23、除尘塔；24、第二转轴；25、下阻流叶片；26、上阻流叶片；27、第一液压缸；28、一级反应釜；2801、进料口三；29、第二螺旋输送器；30、第二蝴蝶板；31、冷却液导向片；32、卧式多层水泡除尘器；33、二级反应釜；3301、进料口一；。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1和图2所示，本发明的连续式生物质热裂解设备，包括加料装置、一级反应釜28、二级反应釜33、三级反应釜1、加热装置、排炭装置、第一抽气装置和除尘装置；
加料装置包括加料仓2、第一螺旋输送器3、第一蝴蝶板4、第一阀门5、第二阀门6和第二抽气装置(第二抽气装置具体采用水射流真空机，第二抽气装置未在图中示出)；第一阀门5安装在加料仓2的进料口二201，第一螺旋输送器3从加料仓2的底部穿过并连通至一级反应釜28的进料口三2801，第二阀门6安装在第一螺旋输送器3的末端，第一蝴蝶板4位于第一螺旋输送器3之上，第二抽气装置用于对加料仓2进行抽真空处理；
一级反应釜28内设置有第二螺旋输送器29和第二蝴蝶板30，第二螺旋输送器29从一级反应釜28的底部穿过并连通至二级反应釜33的进料口一3301，第二蝴蝶板30位于第二螺旋输送器29之上；
二级反应釜33内设置有定量卸料装置，三级反应釜1内设置有第三蝴蝶板7和中空螺旋输送器8，定量卸料装置包括第一转轴9、安装在第一转轴9上的弓形搅拌辊10和安装在第一转轴9末端的下料旋转片11；弓形搅拌辊10用于搅拌生物质物料，下料旋转片11用于将生物质物料定量的输送至中空螺旋输送器8，中空螺旋输送器8连接排炭装置和除尘装置；
一级反应釜28外套有护套12，护套12与一级反应釜28之间具有间隙形成夹层，夹层与外界连通；所述加热装置包括发热管路13、余热管路14和电热板15，发热管路13从中空螺旋输送器8内穿过，发热管路13的末端通过余热管路14连通至夹层，在使用时从图2箭头所示位置通入燃烧器即可对发热管路13进行加热；电热板15安装在第三蝴蝶板7上；电热板15用于加热三级反应釜1内的生物质物料，在三级反应釜1和二级反应釜33内形成不同的温度层，使得生物质碳化；发热管路13用于加热已经到达中空螺旋输送器8内的炭层，将炭层温度提高至1050℃以上，使得三级反应釜1和二级反应釜33内的气体在经过炭层时发生二次裂解反应；
所述三级反应釜1、二级反应釜33和余热管路14的外表面均设置有真空保温层16；
排炭装置包括膨胀节17、排炭管18和排炭三通19，排炭管18通过膨胀节17连通至中空螺旋输送器8，排炭管18的一端设置第一液压缸27、另一端相交并连通至排炭三通19，排炭三通19的一端设置第二液压缸20、另一端设置第三阀门21；排炭管18外包裹与排炭管18之间具有间隙的壳体22，壳体22上设置有供冷却液进出的冷却液进口和冷却液出口，排炭管18与壳体22之间的间隙内设置有冷却液导向片31；
除尘装置包括除尘塔23、第二转轴24、下阻流叶片25、上阻流叶片26和卧式多层水泡除尘器32，除尘塔23的底部连通中空螺旋输送器8，除尘塔23的顶部依次连接卧式多层水泡除尘器32和第一抽气装置(第一抽气装置具体采用高压燃气压缩机，第一抽气装置未在图中示出)；第二转轴24竖直的安装在除尘塔23内，下阻流叶片25和上阻流叶片26均与第二转轴24连接，下阻流叶片25和上阻流叶片26的旋向相反，下阻流叶片25和上阻流叶片26随着第二转轴24同步旋转并产生彼此反向的气流。
本实施例连续式生物质热裂解设备的基本工作流程是：
(1)关闭第二阀门6和第三阀门21，利用第一抽气装置对整个设备进行抽真空处理；
(2)开启第一阀门5，向加料仓2内投入生物质物料，生物质物料应预先进行破碎处理；
(3)关闭第一阀门5，利用第二抽气装置对加料仓2进行抽真空处理，然后启动第一螺旋输送器3并开启第二阀门6，将生物质输送至一级反应釜28内；输送完成后关闭第二阀门6，同时重复流程(2)和流程(3)，为下一次加料做准备；需要注意的是，在开启第二阀门6之前需要保持加料仓2内的气压略大于一级反应釜28内的气压，避免一级反应釜28内的可燃气体进入加料仓2；
(4)点燃发热管路13内的燃烧器，发热管路13产生的热空气经过余热管路14到达一级反应釜28与护套12之间的夹层，热空气(温度一般在400℃以下)将一级反应釜28内的温度提升，一级反应釜28内的生物质的主要变化是：在常温～150℃阶段，生物质脱水；在150～240℃温度中，生物质内的纤维素大分子中的部分葡萄糖开始脱水，生物质中各类挥发物析出，生物质原料发生较大的质量损失；生物质本身虽然达到着火点，但由于缺氧环境，并不能发生燃烧，也不能产生气相火焰；在240～400℃温度中，葡萄糖的苷键、部分碳氧以及碳碳键开始断裂，产生新的低分子挥发性化合物；
(5)启动第二螺旋输送器29将生物质输送至二级反应釜33内；
(6)持续旋转的第一转轴9、弓形搅拌辊10和下料旋转片11将生物质向下定量输送，生物质在第三蝴蝶板7上堆叠；与此同时，第三蝴蝶板7背面的电热板15不断发热，热量由底层生物质物料不断向上传递，在三级反应釜1和二级反应釜33内形成由下至上温度逐渐降低的温度层；
(7)二级反应釜33和三级反应釜1内的生物质在不同的温度层发生不同的变化，在150～240℃温度中，生物质内的纤维素大分子中的部分葡萄糖开始脱水，生物质中各类挥发物析出，生物质原料发生较大的质量损失；生物质本身虽然达到着火点，但由于缺氧环境，并不能发生燃烧，也不能产生气相火焰；在240～400℃温度中，葡萄糖的苷键、部分碳氧以及碳碳键开始断裂，产生新的低分子挥发性化合物；在400℃以上的温度环境下，纤维素大分子的残余部分进行芳环化，逐步形成石墨结构，最终形成生物炭；
(8)生物炭落入中空螺旋输送器8内，形成炭层；
(9)位于中空螺旋输送器8内的发热管路13加热炭层至1050℃以上；
(10)当一级反应釜28、二级反应釜33和三级反应釜1内与加料仓压力接近时，第一抽气装置启动，一级反应釜28、二级反应釜33及三级反应釜1内的气体沿着中空螺旋输送器8及其内部的炭层向除尘塔23内流动，气体在炭层内发生二次裂解；
(11)如图2所示，除尘塔23内下阻流叶片25产生向下的气流，大颗粒炭粉被下阻流叶片25及其产生的气流阻挡；上阻流叶片26产生向上的气流，下阻流叶片25与上阻流叶片26之间形成气流相对稳定的静稳区，穿过了下阻流叶片25的小颗粒炭粉在静稳区能够因自重而沉降；更小的炭粉颗粒在进一步上升的过程中继续受到上阻流叶片26及其产生的气流的阻挡；离开除尘塔23的气流进入卧式多层水泡除尘器32，炭粉颗粒进一步被卧式多层水泡除尘器32内存储的清水吸收；
(12)随着中空螺旋输送器8的作用，生物炭由膨胀节17进入排炭管18，图中所示的第一液压缸27的活塞杆不断向左推移生物炭，受左端排炭三通19的堵塞作用，生物炭在排炭管18内不断累积并被挤压密实；与此同时，冷却液不断的从排炭管18与壳体22之间流过，对生物炭进行降温；冷却液导向片31使得冷却液在壳体22与排炭管18之间以螺旋状路径运动，增加冷却液在壳体22与排炭管18之间的行程，提高冷却液的冷却效果；
(13)当排炭管18内积累足够的生物炭之后，开启第三阀门21，排炭三通19上的第二液压缸20的活塞杆执行一次排炭动作，将一截生物炭排出；在第三阀门21开启期间，保持第一液压缸27的活塞杆处于伸展状态，利用第一液压缸27的活塞杆堵塞膨胀节17，避免影响三级反应釜1内的真空状态。
很显然，本实施例连续式生物质热裂解设备的加料装置和排炭装置均为独立部件，各自进行加料和排炭作业时并不影响三个反应釜内的真空状态；因此本实施例生物质裂解设备的加料工序和排炭工序可以依据三个反应釜的工作效率灵活调整，实现整个生物质热裂解的连续化。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种连续式生物质热裂解设备，其特征在于：
包括加料装置、一级反应釜、二级反应釜、三级反应釜、加热装置、排炭装置和第一抽气装置；
加料装置连接一级反应釜，一级反应釜连接二级反应釜顶部的进料口一，二级反应釜连接三级反应釜，加热装置安装在三级反应釜的底部，排炭装置连接三级反应釜的底部，排炭装置用于将生物质碳化后形成的炭层排出；第一抽气装置连接三级反应釜的底部，第一抽气装置抽取一级反应釜、二级反应釜和三级反应釜内的气体使得气体经过高温炭层后离开一级反应釜、二级反应釜和三级反应釜；所述二级反应釜内设置有定量卸料装置，三级反应釜内设置有第三蝴蝶板和中空螺旋输送器，定量卸料装置包括第一转轴、安装在第一转轴上的弓形搅拌辊和安装在第一转轴末端的下料旋转片，中空螺旋输送器从三级反应釜底部穿过，第三蝴蝶板位于下料旋转片和中空螺旋输送器之间，中空螺旋输送器外侧连接排炭装置和第一抽气装置，中空螺旋输送器中空部分用于置放燃烧器，中空螺旋输送器上的螺旋片在出炭口位置反向连接；生物炭在出口处反向运动，使得炭层可以充分排除。
2.根据权利要求1所述的连续式生物质热裂解设备，其特征在于：
所述加料装置包括加料仓、第一螺旋输送器、第一蝴蝶板、第一阀门、第二阀门和第二抽气装置；第一阀门安装在加料仓的进料口二，第一螺旋输送器从加料仓的底部穿过并连通至一级反应釜的进料口三，第二阀门安装在第一螺旋输送器的末端，第一蝴蝶板位于第一螺旋输送器之上，第二抽气装置用于对加料仓进行抽真空处理；
一级反应釜内设置有第二螺旋输送器和第二蝴蝶板，第二螺旋输送器从一级反应釜的底部穿过并连通至二级反应釜的进料口一，第二蝴蝶板位于第二螺旋输送器之上。
3.根据权利要求2所述的连续式生物质热裂解设备，其特征在于：
所述一级反应釜外套有护套，护套与一级反应釜之间具有间隙形成夹层，夹层与外界连通；所述加热装置包括发热管路、余热管路和电热板，发热管路从中空螺旋输送器内穿过，发热管路的末端通过余热管路连通至夹层，电热板安装在第三蝴蝶板上。
4.根据权利要求3所述的连续式生物质热裂解设备，其特征在于：
所述二级反应釜、三级反应釜和余热管路的外表面均设置有保温层。
5.根据权利要求1所述的连续式生物质热裂解设备，其特征在于：
所述排炭装置包括膨胀节、排炭管和排炭三通，排炭管通过膨胀节连通至中空螺旋输送器，排炭管的一端设置第一液压缸、另一端相交并连通至排炭三通，排炭三通的一端设置第二液压缸、另一端设置第三阀门；排炭管外包裹与排炭管之间具有间隙的壳体，壳体上设置有供冷却液进出的冷却液进口和冷却液出口，冷却液进口和冷却液出口与排炭方向反向设置，排炭管与壳体之间的间隙内设置有冷却液导向片。
6.根据权利要求1所述的连续式生物质热裂解设备，其特征在于：
还包括除尘装置，所述除尘装置包括除尘塔、第二转轴、下阻流叶片、上阻流叶片和卧式多层水泡除尘器，除尘塔的底部连通中空螺旋输送器外侧，除尘塔的顶部依次连接卧式多层水泡除尘器和第一抽气装置；第二转轴竖直的安装在除尘塔内，下阻流叶片和上阻流叶片均与第二转轴连接，下阻流叶片和上阻流叶片的旋向相反，下阻流叶片和上阻流叶片随着第二转轴同步旋转并产生彼此反向的气流。
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